Achtergrond
Stalker creëert doorbraak bij SMD-montage
22 juni 2007
In het kader van het stimuleringsprogramma IOP Precisietechnologie ontwierpen researchers van Assembléon, de TU Delft en de Fontys-hogeschool in Eindhoven een geavanceerd assemblagesysteem voor miniatuurcomponenten. Hun ambitie was de benchmark van achtduizend surface mount devices (SMD’s) per uur per plaatsingskop met een factor twee tot drie te overtreffen. Dit lukte door de afstand tussen oppak- en plaatspositie drastisch te reduceren met een servoaangedreven shuttlemechanisme, de zogenaamde stalker. Elke plaatsingkop in het prototype zet 18 duizend componenten per uur op de printplaat met een nauwkeurigheid van 50 micrometer. Sjef van Gastel van Assembléon en Paul Verstegen van de TU Delft doen verslag.
Het plaatsen van een onderdeel. Dat is eigenlijk de enige handeling in een pak-en-plaatsmachine die waarde toevoegt aan het product dat eruit komt. De ideale componentenplaatser zet alleen elektronicaonderdelen op een printplaat. De overige processtappen zijn feitelijk overbodig. Het is dus best opmerkelijk dat in vrijwel alle pick-and-place-machines de processtappen die we in figuur 1 aangeven met ‘move’ ongeveer 70 procent van de cyclustijd innemen.
Machines voor pakken en plaatsen maken gebruik van twee hoofdprincipes: sequentieel plaatsen en parallel plaatsen. Bij sequentieel plaatsen gebruikt de machine een plaatsingskop met meerdere pipetten. De componenten worden na elkaar opgepakt, gezamenlijk overgezet naar het plaatsingsgebied en een voor een geplaatst. Alle acties zijn sequentieel (na elkaar) en de machine bereikt tijdswinst door de reistijd tussen pak- en plaatsgebied te delen.
Machines met een parallel plaatsingsprincipe zoals de Assembléon AX-301 en AX-501, hebben meerdere simultaan bewegende plaatsingsrobots met elk één pipet. Elke robot hoeft slechts een deel van de totale hoeveelheid componenten te plaatsen. Zo is er per component meer tijd beschikbaar en de optredende versnellingskrachten zijn lager dan bij het sequentiële plaatsingsconcept. Parallel plaatsen komt ook de betrouwbaarheid en plaatsingsnauwkeurigheid ten goede.
Toch is het een aantrekkelijke uitdaging om de output van de AX-machines (op dit moment tot achtduizend SMD’s per uur per robot) nog verder te verbeteren. Daarmee zakken immers de plaatsingskosten bij een gelijke machineprijs. Voor een hogere versnelling sommen we hier viertal opties op.
1 - Processen elimineren: De translatie van de plaatsingskop van pakken naar plaatsen en terug neemt de meeste tijd in. Die processtappen elimineren benadert de ideale pick-and-place-machine aardig. Rechtstreeks componenten schieten op de PCB is een mogelijke oplossing.
2 - Processen parallel: Door tijdens een processtap een ander proces uit te voeren is de totale cyclustijd te verkorten. Een voorbeeld is de componentuitlijning tijdens het move-proces.
3 - Afstand verkorten: Afstand verkleinen tussen pak- en plaatspositie verkleint de move-stappen. Dit kan door de componenten dicht bij de plaatsingskop aan te bieden.
4 - Versnelling en snelheid opvoeren: Dit oplossingsgebied berust op procestijden verkorten. Die maatregel is altijd positief voor de output. Deze strategie toepassen op de processtap move komt neer op het verhogen van de versnelling en de snelheid. Licht en stijf construeren is hier het credo.
Assembléon bracht bovenstaande probleemstelling in als projectvoorstel in het Nederlandse onderzoeksprogramma van IOP Precisietechnologie. Dit onderzoek werd uitgevoerd door de promovendi Paul Goede van de Hogeschool Utrecht en Paul Verstegen van de Fontys Hogeschool Eindhoven. De begeleiding kwam voor rekening van hoogleraar Jan van Eijk van de sectie Advanced Mechatronics op de TU Delft. Binnen het project formuleerden we het doel om een pick-and-place-machineconcept te ontwerpen die minimaal 18 duizend SMD’s per uur per robot kan plaatsen. Dat komt neer op vijf componenten per seconde. Om dit te bereiken is gekozen voor de oplossingsrichting ‘afstand verkorten’.
Figuur 1: Verschillende toestanden in de nieuwe P&P machine en foto prototype
Stalker
Bij de voorgestelde oplossing verkleinen we de afstanden door een shuttle toe te voegen aan de pick-and-place-machine. De shuttle is een module die de SMD-componenten meevoert en zich gedraagt als een stalker die de plaatsingsrobot achtervolgt.
Elke pak-en-plaatsmachine bevat minimaal twee meetsystemen. Het eerste meetsysteem bepaalt de positie van de printplaat, het tweede meet de positie van de component. Voor beide is een visionsysteem als meetinstrument te gebruiken. Voor de printplaat kijkt het visionsysteem naar fiducials (markers) of naar sporen op het PCB. Van de SMD’s wordt de positie van de aansluitvlakjes bepaald. Deze informatie gebruikt de besturingssoftware voor positiecorrecties.
In de voorgestelde oplossing voegen we de twee meetsystemen samen met de shuttle. Daarbij stonden we voor de uitdaging om de meetsystemen zo te ontwerpen dat er geen extra afstanden werden toegevoegd. Daarnaast mochten de meetsystemen ook geen extra tijd in de plaatsingscyclus toevoegen. Het totale systeem (zie figuur 2) bestaat nu uit twee ten opzichte van elkaar bewegende sleden. De eerste slede bevat de plaatsingskop met de pipet en een omlaag kijkende camera. De tweede slede bevat spiegels en de shuttle.
Eerst wordt de positie van de printplaat gemeten door de spiegelbak en plaatsingskop te positioneren boven een kenmerk op de printplaat (figuur 2A). Vervolgens wordt een component van de shuttle genomen (figuur 2B). Hierna beweegt de kop naar de plaats van de component op de printplaat. Tijdens deze beweging wordt een beeld ingenomen van de onderzijde van de component (figuur 2C). Ten slotte zetten we de component op de printplaat (figuur 2D). Tijdens deze actie kan de spiegelbak al naar zijn nieuwe positie. Hierna wordt de cyclus herhaald totdat alle componenten zijn geplaatst.
Uit bovenstaande beschrijving blijkt dat het meetsysteem met een enkele camera beide metingen kan verrichten: het bepalen van component- en printplaatpositie. De metingen zijn on the fly mogelijk: de plaatsingskop hoeft niet stil te staan tijdens het innemen van de beelden. On-the-fly beelden innemen betekent wel dat er bewegingsonscherpte ontstaat en daarmee een extra onnauwkeurigheid. Om dit tot een minimum te beperken gebruiken we stroboscopische belichtingssystemen. Daarbij kozen we voor leds omdat die een zeer korte reactietijd hebben en een relatief kleine bouwruimte innemen. We berekenden dat een maximale belichtingstijd van 3 microseconde is toegestaan voor een bewegingsonscherpte van 1 pixel. We moesten er dus voor zorgen dat in paar microseconden voldoende licht werd gegenereerd voor een goede beeldopname met voldoende contrast.
Besturing
De kop en de spiegelbak moeten onafhankelijk van elkaar kunnen bewegen. De positie van de spiegelbak ten opzichte van de plaatsingskop is van belang om goede metingen uit te kunnen voeren. Als de positie van deze twee onderdelen niet exact klopt, resulteert dit in een meetfout. De besturing moet dus in staat zijn om het visionsysteem te synchroniseren met de onderlinge positie van de plaatsingskop en de spiegelbak.
De motioncontroller genereert daarvoor een hardwaretrigger op het moment dat de plaatsingskop is gepositioneerd ten opzichte van de spiegelbak. Om de belichtingssystemen, sluiter van de camera en de beeldbewerkingsoftware met elkaar te synchroniseren maakten we gebruik van specifieke hardware met een FPGA. In de FPGA zijn zeven tellers geprogrammeerd die we gebruiken om de diverse systemen onafhankelijk te kunnen laten starten en stoppen. De tijd tussen start en stop kunnen we instellen in stappen van 160 nanoseconden. De gekozen oplossing resulteert in een jitter van maximaal 160 nanoseconden. Bij een maximale snelheid van 2 m/s resulteert dit in een statische beeldafwijking van minder dan 0,5 micrometer in de plaatsbepaling van component of printplaat.
Onderin figuur 2 is een foto te zien van het eerste functionele model waarmee we de haalbaarheid van het shuttleconcept konden aantonen. Momenteel ontwikkelen we een lichtere versie van de plaatsingskop. Daarmee zijn we in staat om de output van 18 duizend componenten per uur te realiseren. Het vullen van de shuttle ligt buiten de scope van dit project, maar is wel een punt van aandacht. De kosten hiervan mogen namelijk niet te hoog zijn om de economische aantrekkelijkheid niet in gevaar te brengen. Behalve voor de assemblage van elektronische componenten kan het voorgestelde shuttleconcept ook interessant zijn voor bijvoorbeeld biomedische toepassingen, assemblage van microsystemen en de verpakkingsindustrie.
Sjef van Gastel is hoofd voorontwikkeling van Assembléon Netherlands. Hij inventariseert gebruikerseisen voor nieuwe assemblagesystemen voor elektronische componenten, doet onderzoek naar nieuwe machineconcepten en haalbaarheidsonderzoek van nieuwe technologieën voor assemblage van elektronische componenten.
Paul Verstegen is promovendus aan de TU Delft en de Fontys Hogescholen in Eindhoven. Samen met Paul Goede heeft hij gewerkt aan de analyse van bestaande pick-and-placemachines en het modelleren van nieuwe plaatsingsconcepten. Daarnaast is hij verantwoordelijk voor het ontwerp, implementatie en testen van de meetsystemen en de besturing.
